生物芯片技術(shù)及其在環(huán)境科學(xué)方面的應(yīng)用

1、生物芯片技術(shù)及其在環(huán)境科學(xué)方面的應(yīng)用摘要：生物芯片技術(shù)是20世紀(jì)以來發(fā)展迅速且引人矚目的一個(gè)前沿領(lǐng)域。本文主要介紹了生物芯片技術(shù)在環(huán)境化學(xué)、環(huán)境微生物檢測以及環(huán)境醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。并對生物芯片在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用前景做出了展望。關(guān)鍵詞：生物芯片; 環(huán)境科學(xué); 生物芯片（biochip）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初期發(fā)展起來的一個(gè)新興的領(lǐng)域，自從1991年fodor等提出dna芯片的概念后，近年來以dna芯片為代表的生物芯片技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。生物芯片是融微電子學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的高度交叉的新技術(shù)，其概念源于計(jì)算機(jī)芯片。它主要是指通過微加工和微電子技術(shù)在固體基質(zhì)表面構(gòu)建微型生物化

2、學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對生命機(jī)體的組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類及其它生物組分進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、高通量的檢測。生物芯片技術(shù)的本質(zhì)特征是利用微電子、微機(jī)械、化學(xué)、物理及計(jì)算機(jī)，將生命科學(xué)研究中的樣品檢測、分析過程實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、集成化、微型化。芯片上集成了成千上萬密集排列的分子微陣列或分析元件，能夠在短時(shí)間內(nèi)分析大量的生物分子，快速準(zhǔn)確的獲取樣品中的生物信息，檢測效率是傳統(tǒng)檢測手段的成百上千倍。該技術(shù)被評為1998年度世界十大科技進(jìn)展之一。目前，生物芯片已在環(huán)境微生物檢測、環(huán)境化學(xué)及環(huán)境醫(yī)學(xué)等研究方向重顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。一、生物芯片的分類及其原理常見的生物芯片主要分為三大類：即基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、芯片實(shí)

3、驗(yàn)室。1.基因芯片（gene chip）基因芯片又稱dna芯片（dna chip）。）。最初的生物芯片主要用于基因測序、基因表達(dá)圖譜的鑒定和基因突變的分析與檢測，而且隨著人類基因組計(jì)劃的逐步實(shí)施以及分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展，基因芯片己成為生物芯片中最重要的一類。基因芯片是在基因探針的基礎(chǔ)上研制出的，所謂基因探針只是一段人工合成的堿基序列，在探針上連接一些可檢測的物質(zhì)，根據(jù)堿基互補(bǔ)的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。它將大量探針分子固定于支持物上，然后與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交，通過檢測雜交信號的強(qiáng)度及分布來進(jìn)行分析。2蛋白質(zhì)芯片（protein chip）蛋白質(zhì)芯片與基因芯片的基本原理相同，

4、但它利用的不是堿基配對原理而是抗體與抗原結(jié)合的特異性即免疫反應(yīng)來檢測。蛋白質(zhì)芯片構(gòu)建的簡化模型為：選擇一種固相載體能夠牢固地結(jié)合蛋白質(zhì)分子（抗原或抗體），這樣形成蛋白質(zhì)的微陣列，即蛋白質(zhì)芯片。蛋白質(zhì)芯片的檢測原理類似于抗原、抗體檢測的elis法，如采用雙抗夾心的形式，通過機(jī)械點(diǎn)涂的方法，將多種不同的單克隆抗體點(diǎn)樣固定在固相介質(zhì)表面（一般是膜介質(zhì)）上，制備抗體蛋白芯片，并與多種抗原樣本雜交，使芯片上的抗體捕獲相應(yīng)的抗原。然后再與標(biāo)記的多種不同的抗體雜交，由于蛋白抗原上的多價(jià)結(jié)合表位可結(jié)合標(biāo)記抗體，根據(jù)雜交信號的有無、多少便能進(jìn)行定性、定量的分析。3芯片實(shí)驗(yàn)室（labonachip）芯片實(shí)驗(yàn)室是生

5、物芯片研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，它是將傳統(tǒng)的樣品制備、生化反應(yīng)、數(shù)據(jù)檢測三個(gè)步驟集成于一體，縮小構(gòu)成芯片上的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，是生物芯片發(fā)展的最高階段。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)生物芯片必須以微電流平臺作為支撐，只有把樣品制備、分析和信號獲得連為整體，才能開發(fā)出生物芯片應(yīng)用的最大潛力。目前，利用芯片縮微實(shí)驗(yàn)室已成功地將樣品分離、dna提取、pcr反應(yīng)、dna雜交檢測這幾個(gè)離散步驟在一個(gè)或幾個(gè)芯片構(gòu)成的密閉系統(tǒng)中完成。由于芯片可以做成十分微小的形狀，所以便于攜帶，檢測分析所需樣品少，節(jié)約了大量試劑和人工。同時(shí)芯片可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，成本可以降到很低，用于各種分析的芯片就可以做成一次性使用，避免了樣品污染和交叉污染。芯片

6、實(shí)驗(yàn)室是未來生物芯片的發(fā)展方向。二、生物芯片在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用生物芯片是近幾年發(fā)展起來的一個(gè)新興和熱點(diǎn)領(lǐng)域，在國外研究和應(yīng)用較多，我國在此方面的研究尚處于起步階段，且主要應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究較少。但其高通量、檢測快的特點(diǎn)，使其在環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)今，生物芯片已在環(huán)境化學(xué)、環(huán)境生物學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)及分子生態(tài)學(xué)等研究領(lǐng)域中有了應(yīng)用實(shí)例。1、生物芯片在環(huán)境化學(xué)中應(yīng)用生物芯片在環(huán)境化學(xué)中的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是分析和監(jiān)測環(huán)境中的污染物。環(huán)境化學(xué)污染物主要包括有機(jī)化學(xué)性污染物和無機(jī)污染物。生物芯片設(shè)計(jì)集成化，從而簡化了分析過程，使檢測速度加快，因此在環(huán)境監(jiān)測中有

7、很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。目前，在環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用的有毛細(xì)管電泳芯片、微反應(yīng)芯片等。wang等將毛細(xì)管電泳芯片與厚膜電流檢測器集成在一起（緩沖液為mes(20mol/l，ph5.0），分離管道長度為72mm，分離電壓為2000v）。使用此方法，可在140s內(nèi)從摻入有機(jī)磷神經(jīng)毒物的河水中分離檢測出磷、甲基對硫磷、殺螟硫磷和乙基對硫磷。這些結(jié)果顯示毛細(xì)管電泳芯片有可用于現(xiàn)場檢測的快速檢查。backer等6jn用基于氧化錫的微反應(yīng)芯片實(shí)現(xiàn)了對空氣中co、no和no2氣體的測量。2、生物芯片在環(huán)境微生物檢測方面中的應(yīng)用微生物廣泛存在于環(huán)境中，其密度及多樣性是反應(yīng)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，因此，對環(huán)境微

8、生物進(jìn)行檢測具有十分重要的意義。隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，人們可以在分子水平上構(gòu)建細(xì)菌的進(jìn)化樹并以此為依據(jù)對其進(jìn)行分類?；蚪M水平的dna雜交技術(shù)成為菌種鑒定的里程碑，利用16srrna的高度保守性，人們可以通過6srrna的序列分析來對細(xì)菌進(jìn)行分類。通過該方法研究環(huán)境中微生物的組成、數(shù)量及其變化，可以了解生物群落的結(jié)構(gòu)與其功能及生物地球化學(xué)活動(dòng)的關(guān)系。guschin等利用寡核苷酸微陣列芯片對硝化細(xì)菌進(jìn)行了分類，芯片上固化的寡核苷酸與16srrna序列完全互補(bǔ)，并通過改變探針的微陣濃度和多顏色檢測來進(jìn)行定量分析。2008年，victor parror等利用包含200個(gè)抗體的微陣列生物芯片，并結(jié)

9、合免疫解析的方法尋找通用微生物標(biāo)記物以進(jìn)行環(huán)境檢測，其檢測限為:0.2ng/ml蛋白質(zhì)和104105個(gè)細(xì)胞/ml，并成功地在全球范圍內(nèi)極端環(huán)境樣品中檢測到了生物大分子物質(zhì)。3、生物芯片在環(huán)境醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用環(huán)境醫(yī)學(xué)是研究環(huán)境與人群健康的關(guān)系，特別是研究環(huán)境污染對人群健康的有害影響及其預(yù)防的一門科學(xué)。如今，生物芯片技術(shù)已在環(huán)境流行病學(xué)、職業(yè)病研究和環(huán)境醫(yī)學(xué)監(jiān)測等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。應(yīng)用于環(huán)境流行病學(xué)： 周琦等以sars冠狀病毒tor2株序列為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，研制出用于檢測sars病毒的全基因芯片，芯片探針長度為70nt，相鄰探針序列重復(fù)25nt，共660條病毒探針，覆蓋了sars冠狀病毒的全部序列，應(yīng)用該基因

10、芯片對病人、出人境食品、動(dòng)植物及其產(chǎn)品進(jìn)行檢測，結(jié)果表明基因芯片技術(shù)檢測sars冠狀病毒靈敏度高、特異性強(qiáng)，而且準(zhǔn)確、快速。吳海等以hbv、hvc高度保守的片段為探針成功制作了乙、丙型肝炎病毒雙檢基因芯片，可望應(yīng)用于臨床。趙偉等pcr產(chǎn)物用點(diǎn)樣儀點(diǎn)于玻片介質(zhì)上，制成芯片，檢測例乙肝患者血清的乙肝病毒，準(zhǔn)確率達(dá)用于對公害病和職業(yè)病的研究:niehs已經(jīng)開始環(huán)境基因組目標(biāo)的研究以確定包括在環(huán)境疾病中的200個(gè)基因共同的序列多態(tài)性。niehs對暴露到pahs和其他污染物環(huán)境中的波蘭煤炭爐工人的血液、淋巴系統(tǒng)基因表達(dá)進(jìn)行了研究。這種研究一個(gè)重要的考慮是基因表達(dá)可以被其他因素影響，如食物、健康狀況、個(gè)人

11、習(xí)慣等，減少這些因素的影響必須完成大量處理樣品與對照樣品的比較。一個(gè)新的領(lǐng)域基因毒理學(xué)正在發(fā)展起來，研究基因差異與毒物易感性的關(guān)系，在人類對疾病易感性個(gè)體變化的認(rèn)識上基因毒理學(xué)將產(chǎn)生巨大推動(dòng)作用應(yīng)用于環(huán)境醫(yī)學(xué)監(jiān)測: 孟紫強(qiáng)等探討了so的分子毒作用機(jī)制，通過采用affmetrix公司的大鼠基因表達(dá)譜芯片（rae230a）研究了短期動(dòng)態(tài)吸人so的大鼠肺組織基因表達(dá)譜的變化，并揭示了高濃度so短期暴露對基因表達(dá)的影響。楊磊等用基因芯片分析急慢性砷染毒時(shí)人正常肝細(xì)胞（-02細(xì)胞）基因表達(dá)譜的變化，得出了長期染砷后與腫瘤發(fā)生及氧化還原有關(guān)的基因表達(dá)量升高的結(jié)。三、環(huán)境芯片的在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景展望生物芯片技術(shù)是21世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)，有很好的發(fā)展前景。它克服了傳統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)操作繁雜、自動(dòng)化程度低，檢測效率低等不足，充分利用了生物科學(xué)、信息學(xué)等當(dāng)今前沿領(lǐng)域的研究成果，現(xiàn)在已越來越廣泛的被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中。環(huán)境科學(xué)研究的主要是環(huán)境中的物質(zhì)，尤其是人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物，及其在環(huán)境中的產(chǎn)生、遷移轉(zhuǎn)變、歸宿等過程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此，將生物芯片技術(shù)引入環(huán)境科學(xué)研究中有重大意義。生物芯片高信息量、快速、微型化、自動(dòng)化、成本低、污染少、用途廣等優(yōu)點(diǎn)，很適應(yīng)環(huán)境學(xué)研究中的技術(shù)需求，使其在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。雖然生物芯片技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例還較少，且其自身還有許多問題亟待解決（如提高芯片的特異性、